WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

УШАКОВ РОМАН НИКОЛАЕВИЧ

АГРОХИМИЧЕСКИЙ ФАКТОР УСТОЙЧИВОСТИ СЕРОЙ

ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ        К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ СРЕДЫ В ЮЖНОЙ ЧАСТИ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ РОССИИ

Специальность  06.01.04 – «Агрохимия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Саранск 2007

Работа выполнена на кафедре агрохимии и почвоведения Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора  П.А. Костычева

Научный

консультант:  доктор сельскохозяйственных наук, профессор

  Костин Яков Владимирович

Официальные

оппоненты:  доктор сельскохозяйственных наук, профессор

  Новоселов Сергей Иванович

  доктор сельскохозяйственных наук, профессор

  Чижикова Наталья Петровна

  доктор сельскохозяйственных наук, профессор

  Иванов Евгений Сергеевич

Ведущая

организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский

  институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова

Защита диссертации состоится «5» октября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.11 в Мордовском государственном университете им. Н.П. Огарева по адресу 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева

Автореферат разослан «_____»                        2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  Г.М. Кононова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность проблемы. Проблема получения относительно высоких и одновременно стабильных урожаев сельскохозяйственных культур неразрывно связана с  вопросами устойчивости почв к неблагоприятным воздействиям. Об актуальности и необходимости проведения исследований в данном направлении свидетельствуют данные РАСХН, согласно которым устойчивость отечественной агросферы в 3,5 раза ниже, чем в развитых странах (Глобальные изменения…, 2004). Вопросам устойчивости почв посвящено ряд научных работ, рассматривающих проблему в эволюционном аспекте. Однако в науке недостаточно сведений о роли удобрений и других агротехнических приемов на формирование устойчивости почв и сельскохозяйственных растений. Исследования подобного плана практически не проводились на серых лесных почвах.

В центральном округе Российской Федерации более половины пахотных почв имеют кислую реакцию среды (например, в Рязанской области таких почв около 67%), причем их подкисление продолжается. В Рязанской области, как и в некоторых других областях Нечерноземной зоны, свыше 30% пахотных почв имеют низкую обеспеченность обменным калием, почвы характеризуются в основном средней обеспеченностью подвижным фосфором. При средних дозах минеральных (20-30 кг/га) и органических (0,5-1,0 т/га) удобрений пищевой режим продолжает ухудшаться. Следовательно, в целом почвенные условия неблагоприятны  для формирования устойчивой урожайности сельскохозяйственных культур, так как усиливается зависимость продукционного процесса от погодных условий, в частности проявлений засухи. В верхних слоях почва подвержена аккумуляции тяжелыми металлами. Сокращение применения удобрений приводит к ухудшению питания сельскохозяйственных растений; неблагоприятное воздействие сказывается не только в снижении их продуктивности, но и в истощении почвенных ресурсов. В то же время удобрения оказывают сильное воздействие на все компоненты структурной организации почвенной системы, в том числе и на минералы почвы, являющиеся основным источником элементов питания. В связи с этим применяемые системы удобрения должны не только обеспечивать улучшение питания сельскохозяйственных культур, но и способствовать сохранению естественного плодородия, а в ряде случаев улучшать его. Устойчивое функционирование почвы, ее буферная способность предопределяют долгосрочное обеспечение растений элементами питания, препятствует их истощению. Все сказанное определяет актуальность темы исследования.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в изучении, оценке и агроэкологическом научно-практическом обосновании устойчивости серых лесных почв к неблагоприятным воздействиям и повышения урожайности сельскохозяйственных культур  в условиях южной части Нечерноземной зоны России. Достижение цели осуществлялось путем решения задач:

1. Изучить динамику основных параметров погодных условий весеннего периода.

2. Установить роль удобрений в формировании устойчивости продукционного процесса сельскохозяйственных культур в условиях проявления засухи.

3. Определить устойчивость серой лесной почвы к таким неблагоприятным факторам, как подкисление, загрязнение тяжелыми металлами (цинком, медью, кадмием и свинцом).

4. Оценить калийный и фосфатный режим серой лесной почвы и выявить эффект последействия минеральной, органоминеральной и органической систем удобрений.

5. Определить минералогический состав тонкодисперсных фракций (< 1 мкм, 1-5 мкм и 50-10 мкм) серой лесной почвы и его изменение при применении удобрений.

6. Сравнить агрохимические и физико-химические свойства серой лесной почвы под пашней, лугом и лесом и обосновать роль экосистемных мероприятий  в формировании устойчивости к подкислению, загрязнению тяжелыми металлами.

7. Установить оптимальный физико-химический блок модели плодородия серой лесной почвы, характеризующий устойчивость почвы.

8. Провести энергетическую и агроэкологическую оценку применения удобрений.

Научная новизна. На базе многолетних стационарных опытов с минеральными удобрениями и комплексным окультуриванием серой лесной почвы, сравнительного анализа почв под разными угодьями изучены компоненты устойчивости почвы, сельскохозяйственных растений к неблагоприятным факторам – засухе, загрязнению, подкислению, потере калия и фосфора. Приведено практическое и теоретическое обоснование  устойчивости  почвы, параметризированной физико-химической буферностью к калию, фосфору, цинку, меди, кадмию и свинцу и подкислению.

Для улучшения фосфатного режима серой лесной тяжелосуглинистой почвы установлены дозы фосфорных и калийных удобрений с учетом адсорбционных явлений в зависимости от степени обеспеченности подвижным фосфором, обменным калием, содержания равновесного фосфора и легкоподвижного калия.

Впервые проведен дробный минералогический анализ функционирующих фракций (ила, тонкой и средней пыли) в серой лесной почве опытных полей с разными системами удобрений. Установлено стабилизирующее значение плодородия серой лесной почвы для почвенных микроорганизмов. Показана роль азотных, фосфорных, калийных и органических удобрений для устойчивого продукционного процесса сельскохозяйственных культур в засушливых условиях.

Разработана  модель физико-химического блока плодородия серой лесной тяжелосуглинистой почвы для оценки ее устойчивости к подкислению, загрязнению, потере калия и фосфора.

Практическая значимость работы. В дополнение к имеющимся показателям плодородия предложены физико-химические критерии устойчивости серой лесной почвы,  для агрохимической оценки используемых систем удобрений.

В условиях серой лесной тяжелосуглинистой почвы предложены дозы фосфорных и калийных удобрений для улучшения фосфатного и калийного режимов.

В системе комплексного мониторинга почвенного покрова для предупреждения деградационных процессов рекомендовано определять качественный состав гумуса, валовой химический и минералогический составы почвы.

Обоснована необходимость создания в некоторых случаях в системе агроландшафта луговых и лесных экосистем.

Защищаемые положения:

1. Характер изменения гидротермических условий и оценка устойчивости продукционного процесса сельскохозяйственных растений.

2. Влияние минеральных и органических удобрений, применяемых в отдельности и совместно, на показатели буферности и микробиологическую активность, характеризующие устойчивость почвы.

3. Дозы фосфорных  и калийных удобрений с учетом адсорбции фосфора и калия.

4. Физико-химический блок модели плодородия, характеризующий устойчивость серой лесной тяжелосуглинистой почвы.

5. Химико-минералогический мониторинг состояния почвы под влиянием антропогенного воздействия для раннего выявления и предупреждения ее деградации.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Рязанской государственной сельскохозяйственной академии им. профессора П.А. Костычева  с 1997 по 2005 годы,  на научных конференциях Нижегородской СХА (2001 г.), Рязанского ГПУ в 2001 г., III (2000 г.) и IV (2004 г.) съездах почвоведов,  НИИСХ ЦРНЗ (2006 г. ), Санкт-Петербургского ГУ (2007 г.).

Публикации. Опубликовано 52 работы, в том числе 25 статей в изданиях по списку ВАК, две монографии.

Объем и структура работы.  Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и рекомендаций производству. Работа изложена на 277 страницах печатного текста, содержит 87 таблицы, 89 рисунков, 59 приложений. Список литературных источников включает 338 наименований, из них 42 – зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Условия и методика проведения длительных полевых опытов,

модельных и лабораторных исследований

Почвенно-климатические условия. Серые лесные почвы в основном распространены в южной части Нечерноземной зоны на площади 2,8 млн. га. Средняя годовая сумма осадков составляет 510 мм. Сумма температур выше 10 °С равна 2200 °С.

Методы исследований. Объектом исследования служат пахотные серые лесные тяжелосуглинистые почвы Рязанской области. В 1970 г. профессор  Л.В. Ильина  заложила полевой многолетний (стационарный) опыт по комплексному окультуриванию серой лесной почвы (опыт 1) с внедрением систем удобрений, обработки почвы, севооборотов. За 30 лет Л.В. Ильиной и ее учениками, к которым относится и автор, были собраны и систематизированы сведения по плодородию почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Опыт закладывался на базе двух севооборотов, развернутых во времени в течение шести ротаций: I-й полевой зернопропашной севооборот включал в порядке последовательного чередования викоовсяную смесь (на сено), озимую пшеницу, картофель, ячмень и овес; во II-й полевой зернотравянопропашной севооборот входили те же культуры, за исключением замены однолетних трав клевером. Высевали районированные сорта. Варианты обработки почвы заложены на трех фонах: 1) без удобрений (контроль); 2) средние и 3) высокие дозы органических и минеральных удобрений (табл. 1).

Опыт заложен методом расщепленных делянок, варианты обработки почвы в повторениях – методом рендомизации.  Повторность – 4-х кратная. Размер делянки третьего порядка – 465 м2, учетной делянки – 100-250 м2. В ходе исследования при рассмотрении вопросов, связанных с засушливыми условиями вегетации, были рассчитаны коэффициенты устойчивости продукционного процесса у ячменя, викоовсяной смеси и клевера в 12 вариантах, в которые вошли два севооборота (фактор А), три системы удобрений (фактор В) и две системы обработки (фактор С) – одноглубинная на 20 см (Ог-20) и с углублением пахотного слоя до 28-30 см (Рг-30). При изучении проблемы подкисления и загрязнения почвы, истощения фосфором и калием для проведения сравнительного анализа, использующего необходимую вариацию почвенных условий и отклик на них буферных свойств, были взяты контрольный вариант (без удобрений с традиционной основной системой обработкой почвы на 20 см в зернопропашном севообороте), и вариант с дозами минеральных и органических удобрений, рассчитанными на рекомендуемый уровень плодородия, при разноглубинной обработке в зернотравянопропашном севообороте.

Таблица 1 – Система удобрений (фактор В) в севооборотах (фактор А)

Зернопропашной

Зернотравянопропашной

Культура

Урожай-ность, т/га

Доза удобрений

Культура

Урожай-ность

т/га

Доза удобрений

Картофель

14–16

Навоз 20 т/га

Картофель

14–16

Навоз 20 т/га



N60P40K40



N60P40K40


29–31

Навоз 40 т


29–31

Навоз 40 т/га



N140P110K110



N140P110K110

Ячмень

2,4–2,6

N80P40K30

Ячмень

2,4–26

N80P40K30


3,6–4,0

N90P100K80


3,6–4,0

N90P100K80

Овес

2,4–2,6

N60P60K50

Овес+

клевер

2,4–2,6

N60P60K50


3,6–4,0

N90P80K80


3,6–4,0

N90P80K80

Вика+овес (сено)

3,0–3,5

N30P60K40

Клевер

3,0–3,5

N30P60K40


7,0–7,5

N30P110K70


7,0–7,5

N30P110K70

Оз. пшеница

2,4–2,6

N60P40K40

Оз. пшеница

2,4–2,6

N60P40K40


3,6–4,0

N120P80K80


3,6–4,0

N120P80K80

С 2001 г. в опыте возделывается люцерна посевная на кормовые цели без применения удобрений. Это дало основание изучить последействие агротехнических приемов на калийную и фосфатную буферность для рассмотрения вопросов устойчивости почвы к возможному истощению.

По инициативе профессора Е.А. Жорикова в 1962 г. был заложен многолетний опыт по изучению эффективности разных форм азотных удобрений на серой лесной почве, включающий следующие варианты  (опыт 2): без удобрений, фосфорно-калийный фон (фон РК), включающий суперфосфат простой и хлористый калий. На данном фоне изучали формы азотных удобрений: аммиачную (Naa), кальциевую (Nскц) и натриевую селитру (Nc), аммоний сернокислый (Na) и хлористый (Nx), аммиачную воду (Nав) и мочевину (Nм) в севообороте викоовсяная смесь (на сено), озимая пшеница, картофель, ячмень (яровая пшеница). Дозы удобрений показаны в табл. 2. Опыт заложен в 4-х кратной повторности. Размер делянок 210 м2.

Начиная с 1967 г. проводится испытание различных форм фосфорных удобрений (опыт 3) с целью выявления их влияния на продуктивность сельскохозяйственных культур. На азотно-калийном фоне (фон NK), где использовались аммиачная селитра и хлористый калий, вносили диаммофос (Рдиам), простой (Рс) и двойной суперфосфат (Рсд), обесфторенный фосфат (Роф) и фосфоритную муку (Рф). Дозы удобрений показаны в табл. 2. Опыт заложен в 4-х кратной повторности. Размер делянок 156,8 м2. 

Многолетний опыт по изучению влияния разных форм калийных удобрений (опыт 4) на продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях серых лесных тяжелосуглинистых почв был заложен в 1967 г. Н.И. Красеньковой. В качестве контрольного варианта  в исследованиях был выбран азотно-фосфорный фон (фон NP), включающий сернокислый аммоний и простой суперфосфат;  опытного – NP+40%-ная калийная соль (Ккс); абсолютного контроля – вариант без удобрений. Опыт заложен в 3-х кратной повторности. Размер делянок 210 м2. Многолетние полевые опыты заложены по методике ВИУА. В опытах 2, 3 и 4 удобрения вносили поделяночно вручную, под основную обработку – фосфорные и калийные, под предпосевную – азотные.

Таблица 2 – Дозы удобрений (кг/га) в опытах 2, 3, 4

Вариант

Яровая пшеница,

ячмень

Картофель

Вика + овес

Озимая

пшеница

N

Р2О5

К2О

N

Р2О5

К2О

N

Р2О5

К2О

N

Р2О5

К2О

1

2

60

60

100

100

60

60

3

60

60

60

100

100

100

30

60

60

4

60

60

80

40

30

60

60

60

5

60

60

60

80

40

40

30

60

60

60

60

60

6

60

60

60

60

30

60

60

60

7

60

60

60

60

60

60

30

60

60

60

60

60

Примечание: 1 – вариант без удобрений; 2 – фон РК (суперфосфат простой+хлористый калий); 3 – фон РК+N (разные формы азотных удобрений); 4 – фон NК (аммиачная селитра+40% калийная соль); 5 – фон NК+Р (разные формы фосфорных удобрений); 6 – фон NР (аммиачная селитра+суперфосфат простой); 7 – фон NР (разные формы калийных удобрений).

Для исследования влияния почвенной засухи на продуктивность некоторых культурных растений – однолетних и многолетних трав, картофеля, яровых зерновых культур (ячменя, яровой пшеницы), проведения расчетов коэффициентов устойчивости были диагностированы все отмеченные выше варианты. В исследованиях буферности к подкислению кроме контроля вариантами были: на фосфорно-калийном фоне – хлористый аммоний (фон РК+Nx); кальциевая селитра (фон РК+Nскц), на азотно-калийном фоне – суперфосфат двойной (фон NK+Рсд). В исследованиях буферности к загрязнению выбрали комплекс минеральных удобрений, включающий аммиачную селитру, калийную соль и суперфосфат двойной. Данные удобрения использованы в опытах по определению фосфатной и калийной буферности, минералогических и других показателей. Для решения поставленных задач в ходе диссертационного исследования  были определены показатели, представленные в табл. 3 в виде плюсов. Агрохимические свойства почвы опытных делянок показаны в табл. 4 и 5.

Таблица 3 – Использование многолетних полевых опытов автором

Показатель

Опыт 1

Опыт 2

Опыт3

Опыт 4

Опыт 5

Система удобрения

органо-минера-льная

минеральная

органи-ческая

Общие агрохимические

свойства

+

+

+

+

+

Оценка устойчивости продукционного процесса к засухе

+

+

+

+

+

Физико-химическая буферность к подкислению

+

+

+

+

Физико-химическая буферность к загрязнению

+

+

+

+

Калийная буферность

Формы калия

+

+

+

Фосфатная буферность

Формы фосфора

+

+

+

+

Валовой химический состав

+

+

+

Минералогический состав

+

+

+

Групповой и фракционный

состав гумуса

+

+

+

В полевых опытах с разными формами минеральных удобрений практикуется минеральная система удобрений, в опыте с комплексным окультуриванием – органоминеральная. Для изучения органической системы удобрения мы включили в сравнительный анализ высокоплодородный вариант серой лесной почвы, характеризирующий потенциальные экологические, продукционные и иные возможности плодородия аналоговой почвы. Для этого был заложен полевой опыт по интенсивному окультуриванию серой лесной почвы. Схема опыта включала два варианта: без удобрений, отражающий, судя по агрохимическим сведениям табл. 4 (опыт 5), неплодородную почву (неокультуренную почву) и с навозом  – плодородную почву (окультуренную). Для этого за период 2000-2004 гг. в серую лесную почву ежегодно вносили под картофель подстилочный навоз КРС из расчета 40 т/га. Контрольный вариант представляла почва, в которую за последние 10 лет не вносились удобрения. Опыт заложен в 3-х кратной повторности методом рендомизации. Размер делянок 300 м2. 

Таблица 4 – Агрохимическая характеристика серой лесной почвы в опытах (0–20 см)

Вариант

Гумус,%

P2O5,

K2O,

рНсол

Нг

Са2++Mg2+

мг/100 г

мг-экв/100 г

Система удобрения


Без удобрений

(контроль 1)

С-II+в.н.у.+Ог–20

органоминеральная

2,1±0,2

12,3±0,9

14,4±0,9

5,7±0,1

2,6±0,1

24,1±0,3

3,0±0,2

32,0±0,4

24,1±0,4

5,9±0,2

1,9±0,01

26,0±0,4

Без удобрений

(контроль 2)

минеральная

2,2±0,3

7,3±0,4

8,6±0,4

5,5±0,2

3,0±0,1

22,6±0,4

Фон NK+Pсд

2,3±0,2

25,7±0,4

23,0±0,5

5,0±0,2

4,6±0,1

18,9±0,5

Фон PK+Nх

2,3±0,1

26,1±0,3

23,3±0,5

4,4±0,2

6,1±0,0

14,5±0,5

Фон PK+Nскц

2,3±0,2

26,5±0,4

22,0±0,1

5,0±0,3

4,5±0,1

20,0±0,5

Фон NP+Ккс

2,3±0,2

24,7±0,3

24,1±0,4

5,4±0,4

3,5±0,1

22,0±0,6


органическая

Без удобрений

(контроль 3) – НП

2,0±0,3

11,0±2,2

7,0±1,0

5,5±0,1

3,1±0,1

23,0±0,7

Навоз 40 т/га – ПП

5,4±0,7

46,6±1,0

40,7±2,3

6,0±0,3

1,3±0,1

46,3±0,6

Примечание: НП – неплодородная почва; ПП – плодородная почва

Таблица 5 – Углерод фракций гумуса, % к общему углероду почвы

Вариант,

система

удобрений

Слой,

см

Углерод ГК

(Сгк)

Углерод ФК

(Сфк)

Сгк+

Сфк

Сгк

Сфк



1

2

3

сумма

1

2

3

сумма



Без удобрений

(контроль 1, 2)

0-20

3,2

32,1

8,4

43,7

3,3

4,8

7,8

4,3

20,2

63,9

2,2

20-30

2,7

32,3

9,9

44,9

2,9

5,4

6,7

6,8

21,8

66,7

2,0

Органо-минеральная

0-20

6,1

28,9

12,5

47,5

2,6

5,1

4,1

8,0

19,7

67,3

2,4

20-30

6,3

20,2

11,7

48,3

2,4

5,3

5,9

6,8

20,5

68,8

2,4

Минеральная

0-20

14,0

24,3

8,6

46,9

3,0

10,8

3,4

4,7

21,9

68,9

2,1

20-30

11,5

28,1

7,9

47,5

3,1

10,1

3,5

5,0

21,8

69,3

2,2

Без удобрений

(контроль 3)

0-20

11,4

21,4

9,9

42,7

2,7

7,5

2,4

4,5

17,1

59,8

2,5

20-30

10,0

31,7

9,0

50,7

2,8

8,4

1,1

4,3

16,5

67,3

3,1

Органическая

0-20

11,0

12,4

17,0

40,4

2,0

6,6

2,5

4,7

15,8

56,2

2,6

20-30

13,0

15,2

13,0

41,3

2,2

6,9

2,1

5,6

16,8

58,1

2,5

НСР05

0-20

1,0

1,1

0,8

1,03

1,29

0,8

1,2

20-30

0,6

1,1

1,3

0,34

1,31

0,9

1,2





При рассмотрении отдельных вопросов, кроме многолетних полевых опытов, использованы почвенные образцы, отобранные на пашне, под широколиственным лесом и разнотравным лугом, возраст которых более 50 лет. Отмеченные экосистемы составляют единый ландшафт, так как для них характерны сходные геоморфологические, гидрологические, литологические условия.

Схема и методика микробиологических исследований в модельных опытах. Работа включала изучение влияния плодородия почвы на активность основных групп почвенных микроорганизмов в неблагоприятных экологических условиях: почвенной засухе (опыты 6 и 7), загрязнении тяжелыми металлами (Zn, Cu, Cd) – серия опытов 8. Схема опытов включала два контрастных варианта, различающихся по уровню плодородия, которые названы условно плодородная и неплодородная. Данные варианты представлены территориальными участками одной геохимической фации: рельеф ровный, почва серая лесная тяжелосуглинистая, растительность – культурная. Различия в плодородии почвы обусловлены применением органических удобрений.  Неокультуренный вариант почвы отражает общее состояние пахотного земледелия.  В такой серой лесной почве  содержание гумуса составляет около 2,0%, содержание элементов питания  среднее. Систематическое применение навоза увеличило гумус до 5,4%,  подвижного фосфора – до 47 и обменного калия – до 41 мг/100 г (табл. 4). Отмеченные свойства окультуренной почвы могут отражать максимально-возможный (предельный) для данного типа почвы  продукционный, агроэкологический потенциал устойчивости. 

Опыт 6 по моделированию засухи. Отбор почвенных образцов на микробиологические исследования осуществлялся с  двух вариантов опыта 5. Почвенные образцы использованы в модельном опыте (заложены методом рендомизации) для  изучения микробиологической устойчивости. Для этого почвенные образцы просеивали через сито 2 мм и подсушивали в течение 3 дней (естественная сушка) до влажности завядания  (ВЗ) 6-7% от сухой почвы. После того как почву засыпали в сосуды, произвели полив водой до влажности, соответствующей 30% от сухой почвы. На вариантах с неплодородной и плодородной почвой, где по схеме опыта количество воды должно было быть критическим (стрессовым) для жизнедеятельности микроорганизмов (засушливые условия), влажность почвы снижали до 14% от сухой почвы (естественное испарение) и поддерживали в течение 10 дней. В вариантах с постоянным оптимальным условием увлажнения неплодородной и плодородной почвы содержание воды колебалось на протяжении всего времени экспозиции (30 дней) в пределах 25-30% от сухой почвы. Изучали протеолитическую и целлюлозолитическую активность, а также активность азотобактера, количество основных групп микроорганизмов.  Использовали прямое микроскопирование.

Для оценки микробиологической устойчивости мы предлагаем использовать условный коэффициент микробиологического сопротивления (КМС), рассчитываемый по следующей формуле:

КМС = Nнф/(Nбф–Nнф), (1)

где Nнф – численность микроорганизмов в неблагоприятных условиях;

Nбф – численность микроорганизмов в благоприятных условиях.

Если коэффициент меньше единицы, микробиологическая жизнедеятельность обладает повышенной сенсорной восприимчивостью к действию неблагоприятного фактора; больше единицы __  микробиологическая активность относительно устойчивая.

Серия опыта 7 по изучению трансформации азота. По образованию аммонийной и нитратной форм азота можно косвенно судить об активности соответствующих групп микроорганизмов. Для этого были поставлены три лабораторных опыта (экспозиция 7 дней) с мочевиной (опыты 7.I и 7.II) и растительной биомассой клевера (опыт 7.III с почвой влажностью 25-27% от сухой почвы). Для этого в серую лесную почву вносили мочевину из расчета 0,5 и 1,0 г на 100 г почвы. Количество биомассы клевера (листья)  было 1 г на 50 г почвы. Исследования проводили в Институте садоводства (г. Москва).

Серия опыта 8 с моделированием загрязнения и подкисления. В опытах использован тот же подход в схеме выбора почвенных образцов, их подготовке к анализу, что и в предыдущем опыте 6. Загрязнение почвы  моделировали  путем внесения в нее в растворенной форме CuSO45H2O в количестве, при котором доза меди составляла 300 (опыт 8.I с одним уровнем загрязнения), 200, 600 и 900 мг/кг (опыт 8.II). Контроль – без загрязнения с фоновой концентрацией элемента (ацетатно-аммонийная вытяжка). Влажность почвы поддерживали на уровне 30% от сухой почвы. Время экспозиции – 30 суток.

В опыте 8.III загрязнение почвы производили кадмием из расчета 10, 30 и 100 ПДК. Экспозиция составляла 1, 10, 35 и 57 суток.

В опыте 8.IV изучали влияние цинка на активность азотобактера в неплодородной и плодородной почве (опыт 5). Доза цинка составила 50 и 100 мг/кг.

Подкисление почвы имитировали добавлением разбавленной серной кислотой из расчета создания кислотной нагрузки 0,03 мМ/л (опыт 8.V) и 0,018, 0,044 и 0,120 мМ/л (опыт 8.VI).

В данную серию опытов были включены исследования микробиологической диагностики устойчивости серой лесной почвы разных экосистем – агро-, лесо- и лугового сообществ. Кислотная нагрузка составила 2,510–5 М/л (опыт 8.VII), доза меди соответствовала 30 и 50 ПДК (опыт 8.VIII).

В опытах 8.I, 8.II-8.VIII определяли численность основных групп микроорганизмов, в опыте 8.III – субстрат-индуцированное дыхание, микробную биомассу, базальное дыхание.

Анализы почв и растений выполнены в соответствии с существующими стандартами (ГОСТ 26490-85; ГОСТ 26488-85; ГОСТ 26204-91; ГОСТ 17.4.02-83). Калийную и фосфатную буферность определяли по Beckett (1964). Максимальную фосфатную буферную способность (МВС), буферную способность при заданной равновесной концентрации фосфора (2 мг/л) в растворе (ВС) – по Keramidas и др. (1983) на изотермах Q/Y и Ленгмюра.

Устойчивость почвы к загрязнению оценивали по параметрам ионообменной адсорбции тяжелых металлов – максимальной адсорбции и буферной способности  в области низких исходных концентраций катионом тяжелых металлов (цинк) – от 0 до 0,31 мМ/л при соотношении почва: раствор, равном 1:20 (Соколова и др., 1991; Водяницкий и др., 2000), и в области высоких концентраций – от 0 до 50 мМ/л при соотношении почва: раствор, равном 1:10 (Ладонин, 1997). Находили точки пересечения касательной, проведенной при равновесной концентрации катионов тяжелых металлов 5, 10 и 20 мМ/л. В этом случае буферная способность определяется как тангенс угла наклона (тангенсная буферность, Beckett, 1971).

Потенциальную буферную способность (ПБС) к катионам ТМ рассчитывали по формуле:

ПБС = QmaxК/(1+Сравн.К)(1+Сo.К);  (2)

где Qmax – максимальная адсорбция катиона ТМ (мМ/кг); Сo. – концентрация ТМ (мМ/л) при нулевой исходной концентрации; Сравн. – равновесная концентрация (мМ/л), К – константа.

Для определения буферности к подкислению использовался метод непрерывного потенциометрического титрования (НПТ) (Соколова, 2001).

Выделение фракций ила, тонкой и средней пыли для определения минералогического состава проводилось по методике Н.И. Горбунова (1971). Ориентированные препараты фракций исследованы рентгендифрактометрическим методом. Рентгендифрактометры получены для воздушно-сухих образцов, насыщенных этиленгликолем и прокаленных при температуре 5500С в течение  2 часов.

Микробиологические исследования проводили общепризнанными методами (Звягинцев, 1987, 1991) в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (г. Пущино). В качестве основного приема предварительной обработки образцов почв для анализа численности бактерий использовали ультразвуковое диспергирование (22 кГц, 0,44 А, 2 мин) на низкочастотном диспергаторе УЗДН-1.

Субстрат-индуцированное дыхание (СИД), микробную биомассу (Смик) определяли методом, предложенным в работах Дж Андерсона и К. Домша (Anderson, Domsch, 1978). Микробный метаболический коэффициент (qCO2),

рассчитывали как отношение скорости базального дыхания (БД) к микробной биомассе (Смик):

БД/Смик = qСО2(мкг СО2–Смг-1Смикчас-1) (3)

Учет урожайности в полевых опытах проводился сплошным методом. Урожай зерна приводили к 14%-ной влажности. Зеленую массу вики с овсом и клевера пересчитывали на сено с использованием метода пробных снопов.

Затраты энергии на производство минеральных удобрений определяли с помощью коэффициентов, приведенных в работе А.С. Миндрина (1997).

Затраты энергии на внесение минеральных удобрений, уборку и доработку дополнительного урожая  учитывали по методике Г.А. Булаткина (1983). Коэффициент энергетической эффективности (Кээ) удобрений определяли как отношение энергосодержания сельскохозяйственной продукции к энергозатратам, связанным с применением удобрений.

В работе использованы производственные данные Рязанского Областного управления статистики по урожайности основных сельскохозяйственных культур, доз вносимых удобрений, обеспеченности пахотных почв элементами питания за разные интервалы времени.

Для статистической обработки экспериментальных данных методами дисперсионного, корреляционного, регрессионного и других видов статистического анализа использованы программные комплексы «STATISTICA» и «MATHСAD».

Расчет эколого-экономической устойчивости продукционного процесса. Устойчивость продукционного процесса предлагаем оценивать коэффициентами, численно определяемыми в условных единицах. Коэффициент устойчивости можно рассчитать следующим образом:

Ку = Ун.г/ΔУ, (4)

где Ку – коэффициент устойчивости; Ун.г. – урожайность в неблагоприятный год; ΔУ = Уб.г.– Ун.г. – разница в урожайности в благоприятный год (Уб.г.) и неблагоприятный (Ун.г.). Чем больше значение Ку, тем выше устойчивость. В устойчивости продукционного процесса должны присутствовать экономическая и экологическая оценки, отражающие минимальный  эколого-экономический уровень стабильности. Для этого мы ввели понятие “коэффициент эколого-экономической устойчивости” (Кээу), который можно рассчитывать  по следующим формулам:

Кээу(1) = (Угтк0,5-0,7 –Уэц)/(Уэц–Угтк <0,5); (5)

Кээу(2) = (Угтк0,5-0,7 –Уэц)/(Угтк >1,0–Уэц); (6)

где Кээу – коэффициент эколого-экономической устойчивости; 

Уэц – нижний порог экономически целесообразной урожайности;

Угтк0,5-0,7, Угтк >1,0, Угтк <0,5 – соответственно урожайность в засушливый, оптимальный и сухой годы. Подставив значения урожайности, полученные в варианте без удобрения, в уравнения зависимости продуктивности от ГТК,  выведенные для  удобренного фона, мы калькулировали теоретическую урожайность, названную как “урожайность трансформированная” (УТР).  где УТР – трансформированная урожайность в экспериментальных вариантах; ТУ(Ki) – теоретическая урожайность на контроле, полученные в варианте без удобрений и вариантах с удобрениями при некотором значении ГТК (i); C(Ei) и C(Ki) – свободные члены в уравнениях зависимости продуктивности зерна от ГТК на экспериментальных (фон РК, фон РК + Nаа) и контрольном вариантах; Вo (Еi) и Вo(Ki) – коэффициенты  в уравнении для экспериментальных и контрольного вариантов. Если ТУ(Кi) < C(Ei), то УТР = C(Ei). На основании уравнения 7 рассчитали трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ):

ТКУ = (У(Еi)–ТУ(Ki))/(УТР(Е0,5)–УТР(Еi<0,5)), (8)

где ТКУ –  трансформированный коэффициент устойчивости; У(Еi) – фактическая и (или) урожайность, определенная по уравнениям регрессии, при некотором значении ГТК. Разница УТР в числителе формулы 8 отражает величину отклика на возмущающий фактор  – почвенную засуху, задаваемый величиной разницы У(Еi)–ТУ(Ki). Наибольшим крайним значением ГТК может быть единица (в нашем случае 0,5).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2. Оценка засушливых условий и устойчивости

продукционного процесса

Наибольшая вероятность негативного проявления почвенной засухи наблюдается в весеннее время, т.е. в начальные периоды развития яровых культур. В этот период в регионе осадков в среднем выпадает около 43 мм. Однако изменения в погодной обстановке, произошедшие за последние 20 лет, свидетельствуют о необходимости пересмотра среднемноголетнего значения в сторону его уменьшения: в 7 случаях из 21 количество осадков составило меньше 20 мм (33,0%), среднее значение __  34 мм, в то время как за длительный период 1942-1981 гг. это было в 3 случаях из 40 (7,5%). За 1942-1981 гг. количество лет с осадками меньше 43 мм (среднестатистическое значение) составило 21, за 1982-2002 гг. –  16. На усиление засушливости климата в последнее время указывает экспоненциальное выравнивание майских осадков: за 60-ти летний период уравнение тренда имеет вид: Y = 52,0-0,3X.

Микробиологическая диагностика. Микробиологическая активность в неблагоприятных условиях воздействий является показателем устойчивости почвы. Для изучения влияния дефицита воды на микробиологическую активность был заложен опыт 6 (использованы почвенные образцы опыта 5). Наиболее контрастные различия в численности микроорганизмов между вариантами окультуренности почвы отмечены по аммонифицирующим и нитрифицирующим бактериям: в оптимальные условия увлажнения разница между вариантами составила соответственно 7,2 (НСР05 = 4,1) и 11,4106 КОЕ/г (НСР05 = 1,9); несколько меньше по бактериям, ассимилирующим азот минеральных солей, и целлюлозоразлагающим бактериям. В присутствии почвенной засухи различия в численности микроорганизмов  увеличилась (табл. 6).

Микробиологическую устойчивость оценивали по формуле 1. При недо-статке  воды в окультуренной почве  значение КМС для аммонификаторов,  бактерий, ассимилирующих азот минеральных солей, и  целлюлозоразлагающих бактерий составило соответственно 1,7, 3,8 и 11,6 условных единиц, в то время как в неокультуренной почве значение коэффициента было 1 (аммонификаторы) и меньше 1 (остальные группы). Это указывает на функцию плодородия почвы в поддержании устойчивости жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.

Таблица 6 – Влияние засухи и плодородия на численность микроорганизмов (106 КОЕ/г)

Почва

Грибы

Бактерии

акти-

номи-

цеты

аммо-нифи-циру-ющие

ассимилирующие азот минеральных

солей

нитри-фици-рующие

целлюлозо-разлага-ющие


Оптимальные условия увлажнения (контроль)

Неокультуренная

0,2

9,5

3,7

5,2

3,9

2,6

Окультуренная

0,8

16,7

1,2

16,6

4,3

50,1


Засушливые условия

Неокультуренная

0,2/+

4,7/1,0

0,4/0,1

1,6/0,5

1,6/0,7

7,8/+

Окультуренная

1,7/+

10,6/1,7

0,9/3,8

16,8/+

3,9/11,6

39,7/3,8

НСР05

0,3

4,1

0,4

1,9

0,5

6,6

Примечание: в числителе численность микроорганизмов, в знаменателе – значение КМС; знак + означает невосприимчивость к стрессу.

Предложенные формулы расчетов (4-8) позволяют оценить устойчивость продукционного процесса сельскохозяйственных культур в засуху. Рассмотрим некоторые примеры. Основываясь на урожайных данных яровых зерновых культур (рис. 1), с помощью выведенных уравнений мы рассчитали теоретически возможные урожайности при разных гидротермических условиях.

Исходя из уравнения регрессии (Y = 0,85+2,1X) в нормальные по увлажнению годы при внесении под яровую пшеницу 60 кг/га азота на серой лесной почве со средним содержанием фосфора урожайность составляет 4,0 т/га; в острозасушливые – 1,9 т/га; в засушливые годы – около 2,5 т/га.  В опыте 2 с азотными удобрениями установлено, что при внесении под яровые зерновые культуры одних только калийных и фосфорных удобрений в засушливые годы наиболее ожидаемая урожайность зерна 2,2 т/га  (Y = 12,1+20,5X); при внесении их вместе с азотным удобрением – 3,0 т/га  (Y = 12,5+35,9X).

Рисунок 1 – Динамика урожайности яровых зерновых культур и ГТК

За счет оптимизации питания возможно достижение целесообразного уровня продукционного процесса у яровых зерновых культур и картофеля. Наивысшие значения Кээу (1) при возделывании в засушливых условиях яровой пшеницы, ячменя –  2,2 (при ГТК 0,5) и 2,7 (ГТК 0,7) и картофеля (Уэц не менее 1,50 т/га) – 1,03 (ГТК 0,5)  и 2,00 (ГТК 0,7) получены при совместном внесении на фонах NP и NK 40% калийной соли и суперфосфата двойного соответственно.

По уравнениям регрессии, полученным в опыте с разными формами азотных удобрений, рассчитаны значения теоретической (ТУ) и трансформированной урожайности зерновых культур (УТР) и трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ) в диапазоне ГТК от 0,05 до 0,5. При внесении оптимальных доз удобрений (РК+N) более высокая ТУ зерна достигалась при более низких значениях трансформированной ГТК (табл. 7). 

Таблица 7 – Расчет ТУ, УТР и ТКУ в опыте 2

ГТК

ТУ, т/га

УТР, т/га

ТКУ

Без удобре-ний

Фон РК

РК+N

Фон РК

РК+N

РК

РК+N

0,05

1,11

1,31

1,42

1,01

1,01

0,3

0,8

0,10

1,20

1,42

1,61

1,01

1,01

0,3

1,1

0,15

1,30

1,52

1,79

1,09

1,04

0,3

1,4

0,20

1,39

1,62

1,97

1,18

1,08

0,4

1,9

0,25

1,49

1,72

2,15

1,27

1,14

0,5

2,6

0,30

1,58

1,83

2,33

1,35

1,19

0,7

3,7

0,35

1,68

1,93

2,51

1,45

124

0,9

5,5

0,40

1,77

2,03

2,69

1,53

1,29

1,4

9,2

0,45

1,89

2,13

2,87

1,64

1,34

3,0

19,6

0,50

1,97

2,24

3,05

1,72

1,39

В засушливом диапазоне значений ГТК значение урожайности зерна в меньшей степени варьирует от применения азотного удобрения совместно с фосфорными и калийными, поэтому продукционный процесс становится устойчивее в сравнении с фоном, что видно по расчетным величинам коэффициента  устойчивости: в среднем в варианте РК фон ТКУ составил 0,9 ед.; в варианте РК+N – 5,1 ед.

3. Устойчивость почвы к подкислению

В основу изучения данного вопроса положены полевые опыты 1, 2, 3, 5 и серия модельных опытов. Мерами устойчивости почвы к подкислению и загрязнению являются значения соответствующих классических показателей буферности, в частности емкость буферности. Длительное (40 лет) применение хлористого аммония существенно повысило кислотность серой лесной почвы (рНсол 4,4) . Это привело к снижению в пахотном слое общей буферности до минимальных по сравнению с другими вариантами опытов значений – 4,2 мМ-экв/100 г, что на 3,4 мМ-экв/100 г меньше контроля (рис. 2).

В отличие от варианта PK+Nx (опыт 2) в варианте NK+Pcд (опыт 3) доза физиологически кислого азотного удобрения под картофель была меньше на 20 кг/га, поэтому рН составила 5,0, а емкость буферности соответствовала контролю – 7,4 мМ-экв/100 г. Из всех буферных зон, ответственных за нейтрализацию ионов водорода, наибольший практический интерес представляют карбонатная и катионно-обменная, так как можно улучшить механизмы их реализации технологически – путем пополнения ППК кальцием и повышения в почве органического вещества. Так, одна только замена хлористого аммония на кальциевую селитру повысило емкость буферности в два раза (с 4,2 до 8,9 мМ-экв/100 г.). Тогда как  в почве под лугом емкость буферности составила 8,7 мМ-экв/100 г. Совместное применение минеральных и органических удобрений (органоминеральная система удобрения), при котором содержание гумуса повышается до 3%, а кислотность становится близкой к нейтральной, повышает устойчивость почвы к подкислению: емкость буферности возросла до 10,8 мМ-экв/100 г. Однако и это не предел. Стратегия земледелия, ориентированная на активизацию гумусообразования, означает наращивание потенциала устойчивости – максимальная величина емкости буферности составила 18,5 мМ-экв/100 г.

Рисунок 2 – Влияние удобрений на общую за интервалы рН емкость

буферности к подкислению (мМ-экв/100 г) серой лесной почвы

Среди почвенных компонентов (носителей буферных реакций) мы выделяем высокодисперсные гранулометрические фракции, коллоидные растворы органической природы, гумусовые соединения.

Установлена зависимость ЕБк от содержания поглощенных оснований и различных видов кислотности (рис. 3). Например, исходя из уравнений регрессий рассчитано, что при содержании суммы поглощенных оснований около 27 мг-экв/100 г, рНводн. – 7,0 и Нг – 2,0 ед. ЕБк составит в пределах 105-110 мМ-экв/кг почвы.

Рисунок 3 – Зависимость емкости буферности от содержания поглощенных оснований (сумма кальция и магния) и актуальной кислотности

4. Устойчивость почвы к загрязнению ТМ

При рассмотрении вопросов устойчивости серой лесной почвы к загрязнению цинком, медью, кадмием и свинцом были предусмотрены два контроля: в качестве первого служил вариант без удобрений многолетнего опыта 2,  второй – отражал крайне неплодородный вариант опыта с органической системой удобрения (опыт 5, табл. 4, 5). По величинам максимальной адсорбции (Qmax) можно заключить, что при длительном применении минеральных удобрений снижается адсорбционная способность почвы к меди, кадмию и свинцу, так как в сравнении с контролем 1 Qmax (по Ленгмюру) уменьшилась на 69 и 27 мМ/кг соответственно (табл. 8).

Таблица 8 – Влияние удобрений на адсорбцию и энергию связывания почвой цинка, меди, кадмия и свинца

Вариант

Qmax, мМ/кг

G, кДж/моль

Zn

Cu

Cd

Pb

Zn

Cu

Cd

Pb

К-1

121

63

111

67

94

50

127

81

11,1

9,2

13,7

14,5

11,7

10,2

11,4

13,3

ОМСУ

148

65

132

72

102

50

156

75

13,6

11,7

16,3

19,3

14,3

14,8

12,2

14,3

МСУ

127

66

105

64

85

47

100

59

10,1

7,6

12,6

17,9

11,9

10,6

14,8

15,0

К-3

91

52

104

72

не опр.

не опр.

11,7

10,9

12,5

16,4

не опр.

не опр.

ОСУ

182

74

130

104

не опр.

не опр.

9,9

11,7

11,9

13,6

не опр.

не опр.

К-3+100

87

48

91

64

не опр.

не опр.

11,5

5,9

12,8

17,9

не опр.

не опр.

ОСУ+100

175

74

118

96

не опр.

не опр.

10,0

5,6

12,3

13,0

не опр.

не опр.

Примечание: над чертой – по Ленгмюру; под чертой – по Дубинину-Радушкевичу.К-1 – контроль первый; К-3 – контроль третий (опыт 5); МСУ – минеральная система удобрения; ОМСУ – органоминеральная система удобрения; ОСУ – органическая система удобрения; 100 – доза цинка в мг/кг

При органоминеральной системе значения Qmax для всех четырех элементов были несколько выше контроля, за исключением Qmax для кадмия и свинца, рассчитанного по Дубинину-Радушкевичу. Органическая система удобрения при условии формирования агрохимических свойств, указанных в табл. 4, повышает адсорбционную емкость. В сравнении с контролем 3 разница Qmax составила по Ленгмюру для цинка – 91 и меди – 26 мМ/кг; по Дубинину-Радушкевичу – 22 и 32 мМ/кг соответственно. Дополнительное загрязнение почвы цинком из расчета 100 мг/кг снизила максимальную адсорбцию цинка в плодородной почве на 7 мМ/кг, меди – на 12 мМ/кг, но, несмотря на это, она осталась относительно высокой на фоне других систем удобрений. Совместное применение органических и минеральных удобрений увеличивает энергию связывания цинка, меди и кадмия.

Длительное применение минеральных и органических удобрений не привело к снижению потенциала устойчивости к загрязнению серой лесной почвы тяжелыми металлами. Исключение составило загрязнение свинцом в вариантах с минеральной системой. Как видно из табл. 9, значение БСPb, полученной в точках равновесных концентраций элемента 5 и 10 мМ/л, уменьшилось в сравнении с контролем приблизительно в 3-4 раза.

Таблица 9 – Влияние систем удобрений на буферность серой лесной почвы к цинку, меди, кадмию и свинцу

Вариант

ПБС

По изотерме адсорбции при

равновесной концентрации (X1)

5 мМ/л

10 мМ/л

Y1

Qo

Yo

БС

Y1

Qo

Yo

БС


цинк

К-1

9,8

38

8,3

1,3

6,5

59

27,2

8,5

3,2

МСУ

9,7

40

10,9

1,8

6,0

63

25,6

6,7

3,8

ОМСУ

9,9

43

13,6

2,3

6,0

64

31,4

9,5

3,3

К-3

9,7

34

13,6

3,3

4,1

49

25,6

10,7

2,4

К-3+100 мг/кг Zn

8,6

30

12,8

3,6

3,6

45

24,5

11,7

2,1

ОСУ

9,8

42

7,5

1,1

6,9

68

25,3

5,9

4,3

ОСУ+100 мг/кг Zn

9,6

40

7,3

1,1

6,6

65

25,6

6,4

4,0


медь

К-1

9,8

45

20,3

4,0

5,1

63

35,4

12,6

2,8

МСУ

10,0

43

17,7

3,4

5,2

61

34,2

12,7

2,7

ОМСУ

10,0

47

21,3

4,0

5,3

65

38,5

14,2

2,7

К-3

9,9

47

22,2

4,4

5,1

65

40,5

16,2

2,5

К-3+100 мг/кг Zn

9,8

44

23,3

5,6

4,2

59

39,6

19,1

2,0

ОСУ

9,9

51

20,7

3,4

6,1

73

40,5

12,3

3,3

ОСУ+100 мг/кг Zn

9,7

52

23,9

4,2

5,7

72

42,6

14,2

3,0


кадмий

К-1

9,6

34

12,4

2,8

4,5

50

25,7

10,3

2,5

МСУ

9,7

33

11,9

2,8

4,5

48

25,0

10,9

2,3

ОМСУ

9,8

36

13,9

3,1

4,5

51

28,5

12,7

2,3


свинец

К-1

9,9

46

15,3

2,4

6,3

69

34,0

9,8

3,5

МСУ

9,9

47

35,0

14,6

2,4

53

45,0

56,0

0,8

ОМСУ

10,0

49

23,3

4,4

5,3

65

45,3

22,7

2,0

Примечание: обозначения вариантов соответствуют табл. 8; единица измерения Qo – мМ/кг; Yo – мМ/л

Наибольшие значения буферности зафиксированы на варианте с органической системой удобрения, ориентированной на положительный баланс гумуса в почве. Даже в случае предварительного загрязнения ее цинком в количестве 100 мг/кг потенциал буферной способности не снижался относительно вариантов систем удобрений без дополнительного внесения элемента. Следовательно, ресурсные возможности почвы в формировании ее устойчивости заложены в органическом веществе.

Проведенное в 2006 г. почвенное обследование опытных полей позволило выявить влияние кислотности почвы на максимальную адсорбцию цинка и его активность в области низких исходных концентраций элемента в растворе. Установлено достоверное уменьшение значение Qmax на  0,12-0,15 мМ/кг при рНсол ниже 5,0 по сравнению с величиной рНсол выше 5,0, увеличение концентрации цинка в 0,01 н CaCl2 на 0,18 мг/кг, снижение энергии связывания. Возрастает содержание цинка и при повышении обеспеченности почвы подвижным фосфором. Как следствие, при подкислении почвы снижается буферная способность к загрязнению цинком (табл. 10).

Таблица 10 – Влияние кислотности, суммы обменных оснований и обеспеченности почвы фосфором на активность цинка

Условие

Максимальная адсорбция
(Qmax), мМ/кг

Цинк в 0,01н CaCl2,

мг/кг

–G,

кДж/М

БСZn,

среднее Q/Сравн.

Лэнгмюр

Дубинин-Радушкевич

рН 5,0

0,58±0,04

0,43±0,06

0,63±0,17

26,5±0,6

<6

рН 5,0 до 6,2

0,70±0,10

0,58±0,08

0,45±0,17

28,7±2,0

>6

<0,05

мг-экв/100 г

Са2++Мg2+  15


0,72±0,03


0,58±0,02


0,43±0,03


29,0±0,33


>5

Са2++Мg2+  15

0,61±0,02

0,46±0,02

0,64±0,03

27,2±0,22

<5

<0,05

рН 5,0; P2O5  15

0,73±0,07

0,61±0,08

0,21±0,10

29,7±1,54

<6

рН 5,0; P2O5  15

0,70±0,15

0,56±0,08

0,50±0,23

28,5±1,09

<6

>0,05

<0,05

>0,05

>0,05

Микробиологическая диагностика. В опыте 8.VI микробиологическая биодиагностика выявила улучшение биопротекторной роли  плодородия почвы к подкислению (рис.4). В неплодородной (неокультуренной) почве выявлено снижение общей биогенности на фоне прогрессирующего подкисления. Так если при фоновой рН, равной 6,0, общее количество микроорганизмов составило 41,6106 КОЕ/г, то после добавления кислоты 0,018 мМ/л (рН 5,3) оно снизилось до 19106 КОЕ/г, далее до 15,8 и 12106 КОЕ/г соответственно при нагрузке 0,044 и 0,120 мМ/л. В плодородной почве в отмеченном объеме кислотной нагрузки ниспадающей тенденции микробиологической активности не обнаружено.

В опыте (8.II) изучалось влияние нескольких уровней загрязнения серой лесной почвы медью на численность микроорганизмов. Установлено, что за счет закрепления плодородной почвой большего количества меди, активность большинства микроорганизмов во всем диапазоне загрязнения была выше, чем в неплодородной почве.

В опыте (8.III) микробная биомасса при всех предложенных концентрациях кадмия в почве была наибольшей в плодородной почве: при фоновой концентрации она составила для 1 сут. 1187 мкг С/г почвы, 10 сут. – 1590, 35 – 1005 и 57 – 891 мкг С/г почвы, что соответственно на 540; 761; 541 и 554 мкг С/г почвы больше неплодородного варианта. При этом разница по мере нарастания загрязнения между вариантами увеличивалась: в 1 сут. для 10 ПДК она составила 658; 30 ПДК – 667 и 100 ПДК – 710 мкг С/г почвы. В 1 сут. в плодородном варианте угнетения жизнедеятельности микроорганизмов вообще не произошло в отличие от неплодородного варианта, так как величина микробной биомассы при указанных концентрациях кадмия была выше фоновой концентрации.

Неокультуренная почва

Окультуренная почва

Примечание: 1 – грибы; 2 – аммонифицирующие бактерии; 3 – бактерии, использующие органические азотосодержащие вещества; 4 – бактерии, ассимилирующие азот минеральных солей; 5 – нитрифицирующие бактерии; 6 – целлюлозоразрушающие бактерии; 7 – актиномицеты

Рисунок 4 – Численность микроорганизмов (ось Y) в слое 0–15 см (106 КОЕ/г) серой лесной почвы в зависимости от кислотной нагрузки (ось X) и плодородия

Длительное применение минеральных удобрений (NPK) не только не привело к снижению количества микробной биомассы, но и обусловило ее достоверное увеличение на 73 мкг Сг-1 в сравнении с вариантом без удобрений (табл. 11). 

Таблица 11 – Значения микробной биомассы (МБ), базального дыхания (БД) и метаболического коэффициента (qCO2)*

Вариант

МБ, мкг Сг–1
почвы

БД, мкг С-СО2г–1
почвы час-1

qCO2,

мкг CO2 – С мг-1 Смик  час-1

Без удобрений

268

0,54

2,0

NPK

341

0,55

1,6

НСР05

45

0,06

По базальному (фоновому) дыханию различия не выявлены. Поэтому в целом можно констатировать, что длительное внесение минеральных удобрений на серой лесной почве не ослабевает ее биологическую активность.

5. Агрохимический аспект устойчивости

Формы калия и калийная буферность. За более чем сорокалетнюю историю проведения многолетних полевых опытов вопросы, связанные с изучением калийной и фосфатной буферности, не изучались. Однако эти показатели могут отражать условия, обеспечивающие  устойчивое питание растений. Мы попытались установить основные факторы, которые оказывают влияние на формирование буферности серой лесной почвы к калию и фосфору. В специальной литературе практически отсутствуют данные о влиянии последействия удобрений  на буферность.

Одним из главных неблагоприятных проявлений в земледелии является снижение потенциала питания растений. В наших опытах несколько лет в почву не вносились минеральные и органические удобрения. В опыте с комплексным окультуриванием в течение последних 5-ти лет возделывалась люцерна посевная, которая отличается высоким выносом калия из почвы. Таким образом, были спровоцированы условия для потери серой лесной почвой данного элемента. В варианте с органоминеральной системой удобрения содержание обменного калия снизилось до 17 мг/100 г. При такой обеспеченности почва в состоянии реализовывать функцию по снабжению сельскохозяйственных растений калием, так как величина десорбции (-Кo) составила  -0,012 мг-экв/100 г. (табл. 12).

По сравнению с вариантом продолжающегося окультуривания серой лесной почвы способность к десорбции снизилась на 87%, а к поддержанию равновесного состояния, соответствующего высокому уровню плодородия, на 75%.

Систематическое и длительное применение калийных удобрений позволяет на серых лесных почвах создать условия устойчивого калийного режима. С момента прекращения внесения удобрения прошло 3 года. За это время содержание обменного калия снизилось по сравнению с данными 2001 г. на 4-5 мг/100 г и составило около 20 мг/100 г.; в варианте без удобрений – 9 мг/100 г. Если бы удобрения продолжали вносить, количество обменного калия составило бы на около 25 мг/100 г. На этом сравнительном фоне во всем диапазоне добавленного КCl (от 0 до 1,2 мг-экв/л) сохраняется та же закономерность и в отношении активности калия: в соответствии с указанным выше порядком вариантов ARo составила в среднем 1,110-3 М/л0,5; 0,2 и 1,910-3 М/л0,5, а Кo –  -0,04 мг-экв/100 г.; 0,005 (≈0) и -0,06 мг-экв/100 г. (табл. 12).

Таблица 12 – Калийное состояние серой лесной почвы

Вариант

ВД

ОБ

НГ

КР

сК+

аК+

AR

Кo

ARo

PBCк

калий, мг/100 г

10–3 М/л


Без удобрений

Опыт 1

0,4

14

75

221

0,0078

0,0074

0,3

0,008

0,2

18–21

ОМСУ+

последействие

1,5

17

60

283

0,0260

0,024

0,8

–0,012

0,5

22–26

ОМСУ

без последействия

3,5

22

64

300

0,0620

0,058

2,0

–0,090

2,0

45–50


Опыт 4

Без удобрений

0,5

9

75

230

0,0156

0,0146

0,5

0,005

0,2

22–32

МСУ+

последействие

1,1

20

80

310

0,0416

0,039

1,2

–0,040

1,1

33–42

МСУ

без последействия

1,5

25

83

324

0,0468

0,044

1,5

–0,060

1,9

28–32


Опыт 5

Без удобрений

не опр.

10

не опр.

не опр.

0,0160

0,015

0,6

0,006

0,2

23–25

ОСУ

4,7

39,9

45

314

0,2000

0,200

4,7

–0,200

20

10–15

Примечание: калий: ВД – водорастворимый; ОБ – обменный; НГ- необменно-гидролизуемый; КР – кислоторастворимый;  Кo в мг-экв/100 г; ARo в М/л10–3

Увеличение калийной буферности (PBCк) в варианте «МСУ+последействие» по сравнению с контролем объясняется сохранением способности почвы отдавать калий в раствор; снижение буферности в варианте «МСУ без последействия» – повышенной активностью калия. Полученные данные опыта с органическим удобрением свидетельствуют о его исключительной роли в формировании высокой десорбционной способности почвы и активности калия, отношение которых минимальное – 10-15. Однако это не указывает на низкую устойчивость почвы. Активизация общего потока калия из почвы связана с влиянием органического вещества, постоянно пополняющего почвенный раствор калием и поддерживающего его на относительно высоком уровне.

Данные калийного режима, полученные при обследовании серой лесной тяжелосуглинистой почвы в учхозе «Стенькино», позволяют в диапазоне вариации содержания гумуса, кислотности и обеспеченности калием изучить их влияние на формирование компонентов PBCк. Установлено следующее: при содержании  обменного и легкоподвижного калия в почве соответственно ниже 12 и 1 мг/100 г относительная активность калия крайне низкая (0,5-0,710-3М/л). При возрастании количества обменного калия в 2 раза  значение ARo увеличивается в 7 раз, -Кo в 10 раз, РВСк в 2,2 раза (табл. 13). Улучшение обеспеченности почвы калием на фоне увеличения гумуса до 3,5% способствует улучшению функционального состояния компонентов буферности.

Таблица 13 – Влияние содержания калия (мг/100 г) и гумуса (%) на компоненты калийной буферности серой лесной почвы

Условие

ARo,10-3 М/л

–Кo, мг-экв/100 г

РВСк

Обменный калий (К2Ообм.)

К2Ообм. 12

0,5

0,01

20

20 > К2Ообм.> 12

3,5

0,1

29

Обменный калий гумус (Г)

20 > К2Ообм.> 12   3,5>Г>2,5

4,5

0,20

44

Легкоподвижный калий (К2Олегк., 0,002М CaCl2)

К2Олегк.  1

0,7

0,01

14

2>К2Олегк. >1

1,3

0,04

31

Примечание: величины параметров буферности приведены в соответствии с крайними значениями условий. Все различия достоверны на 5%-ном уровне значимости.

Фосфатная буферность. За счет сформировавшегося запаса потенциально доступных фосфатов трехлетний  перерыв в применении азотных, фосфорных и калийных удобрений в дозе по 60 кг/га, пятилетний перерыв в совместном применении органических (40 т/га) и минеральных удобрений (в среднем ежегодно N94P96K84) не приводит к снижению потенциальной буферной способности к фосфору, что свидетельствует об устойчивом обеспечении культурных растений данным элементом.

Полученный в ходе обследования полей массив данных, различающихся степенью обеспеченности серой лесной почвы  фосфором, содержанием гумуса и кислотностью, позволил установить их влияние на фосфатную буферность (РВСр), ее компоненты. Установлено, что в 36 % случаев имело место одновременное повышение Yo в растворе и РВСр. Оптимальными условиями для этого были следующие: содержание гумуса в среднем 3,0 %; рН около 5,3 и концентрация равновесного фосфора 0,15 мг/л. В 32 % случаях происходило снижение  как РВСр, так и Yo при условии содержания гумуса ниже 2,5 %, равновесной концентрации ниже 0,11 мг/л и возрастания кислотности почвенного раствора до 4,6 рН. Установлено, что если содержание Рравн.  0,11 мг/л, а гумуса 2,5 %, то Qo составит 0,68 мг/100 г. Если величины отмеченных выше параметров увеличивается соответственно до 0,15 мг/л и 3,5%, то Qo возрастает до 1,35 мг/100 г, а РВСр – с 34 до 45 мл/г. (табл. 14).

В табл. 15 показаны дозы фосфорных удобрений, если взять за основу расчета в их потребности условие доведения концентрации фосфора в почвенном растворе до равновесных концентраций.

Таблица 14 – Влияние содержания фосфора и гумуса на компоненты фосфатной буферности серой лесной почвы

Условие

Yo, мг/л

Qo (–Р),
мг/100 г

PBCp, мл/г

Подвижный фосфор (Р2О5подв., мг/100 г) гумус (Г)

Р2О5подв.  15 Г 2,5

0,2

0,68

34

25> Р2О5подв.  15 3,5> Г 2,5

0,4

1,70

43

Равновесный фосфор (Рравн., мг/л)

Рравн.  0,11 Г 2,5

0,2

0,68

34

0,15> Рравн.  0,11 3,5> Г 2,5

0,3

1,35

45

Кислотность почвы (рНсол.)

рН<5 Г 2,5

0,2

0,60

30

Примечание: величины параметров буферности приведены в соответствии с крайними значениями условий; равновесный фосфор определяли в 0,01 М CaCl2 при соотношении почвы к раствору как 1:5. Все различия достоверны на 5%-ном уровне значимости.

На фоне более высокой изначальной степени обеспеченности почвы фосфором и калием для достижения равных равновесных концентраций требуется меньше вносить фосфорные и калийные удобрения. Установлено, что для увеличения равновесного фосфора в почве на 0,05 мг/л суммарная доза фосфорных удобрений (без учета потребления сельскохозяйственными культурами) должна быть при низкой обеспеченности не ниже 470 кг/га, а при средней – 200 кг/га. Суммарная доза калийных удобрений для увеличения легкоподвижного калия на 1,0 мг/л  рекомендуется не ниже 200 кг/га – для низкой обеспеченности и 130 кг/га – для средней. На более обеспеченных почвах повышение или поддержание оптимальной концентрации элементов питания в почве с целью формирования устойчивого питания достигается меньшими дозами удобрений.

Таблица 15 – Сорбция фосфатов (Р, мг/л; X, кг/га) и калия  (К, мг/л; X, кг/га) и их затраты (кг/га) при равновесных концентрациях в почвенном растворе (Сравн., мг/л)

Сисх./

Доза

Сравн.

Р

К

X

Затра-

ты Р2О5,

К2О

Сравн.

Р

К

X

Затра-ты Р2О5,

К2О

Сравн.

Р

К

X

Затра-ты Р2О5,

К2О

Сравн.

Р

К

X

Затра-ты Р2О5,

К2О

обеспеченность подвижным фосфором

низкая

Рравн. = 0,07

средняя

Рравн. = 0,13

повышенная

Рравн. = 0,18

высокая

Рравн  = 0,25

3/205

5/340

6/455

0,30

2,7

14

190

0,57

2,4

12

164

0,88

2,1

11

150

1,14

1,9

10

136

0,84

4,2

22

300

1,58

3,4

17

232

2,02

3,0

15

205

2,73

2,3

12

164

1,50

4,5

23

314

2,51

3,9

20

273

2,86

3,6

18

245

3,78

2,7

14

191

доза Р2О5 (кг/га) для увеличения Рравн. на 0,05 мг/л в вытяжке 0,01 М СaCl2

470-700

200-250

80-140

65-110


обеспеченность обменным калием

низкая

Клегк. = 0,30

средняя

Клегк. = 0,60

повышенная

Клегк. = 1,42

высокая

Клегк. = 2,00

4/293

2,64

1,3

13

95

3,00

1,0

10

73

3,04

1,0

10

73

3,65

0,4

4

29

8/586

3,55

4,4

44

321

4,00

4,0

40

293

4,06

3,9

39

285

6,29

1,7

17

124

16/1172

7,90

8,1

81

593

10,34

5,7

57

417

11,3

4,7

47

344

12,9

3,0

30

220

20/1465

12,1

7,3

73

534

13,18

6,8

68

498

14,2

5,8

58

424

16,2

3,8

38

278


доза К2О (кг/га) для увеличения Клегк.  на 0,5 мг/л в вытяжке 0,01 М СaCl2


200-305

130-200

85-120

20-25

Примечание: Сисх. – исходная концентрация Р в растворе 0,01 М СaCl2, калия – в 0,002 М СaCl2, мг/л. Доза Р2О5 и К2О– эквивалентная доза фосфора и калия удобрения (кг/га). Единица измерения равновесного фосфора (Рравн.) и легкоподвижного калия (Клегк.) мг/л.

Таким образом, данные многолетних опытов, обследований полей  позволили установить оптимальные для серой лесной тяжелосуглинистой почвы параметры фосфатного и калийного режимов.

6. Химико-минералогический состав серой лесной почвы в результате

применения удобрений

Высокодисперсные минеральные фракции почвы определяют резервы элементов питания. В данных фракциях сконцентрированы основные потенциально опасные элементы – медь, цинк, свинец (табл. 16).

Снижение тонкодисперсных фракций, в особенности наиболее ценной – илистой, означает ослабление устойчивости почвы. Повышение кислотности, снижение буферности серой лесной почвой  к подкислению, увеличение в пахотном слое в сравнении с контролем доли свободных гуминовых и фульвокислот соответственно в 4,3 и 2,2 раза (табл. 5), содержания кремния при использования минеральной системы удобрения, наличие указанных тенденций при органоминеральной системе дало нам основание для проведения минералогических исследований. При указанных техногенных воздействиях существует опасность деградации минерального комплекса серой лесной тяжелосуглинистой почвы, потери ею субстантивных носителей механизмов устойчивости. Наиболее восприимчивым к антропогенным факторам является илистый компонент. Сравнение этого показателя (табл. 17) в пахотных горизонтах различных вариантов опыта свидетельствует о более высоких (25,4%) значениях содержания ила в почве варианта, где вносился хлористый аммоний. Факт  увеличения  выхода илистой фракции из почвы при внесении такого сильного диспергатора, каковым является аммонийный радикал, вполне закономерен. В варианте с органоминеральной системой удобрения выход ила минимален (19,1%), что также можно объяснить коагулирующим действием органического вещества, образованного в результате применения навоза.

Таблица 16 – Валовой химический состав макро- и микроэлементов фракций

Фракция

SiO2

Al2O3

F2O3

P2O5

K2O

CaO

Cu

Zn

Ni

Pb

%

мкг/г

Ил (<1 мкм)

51,5

15,3

9,0

0,47

3,14

0,79

102

347

32

48

Тонкая пыль

(1–5 мкм)

77,7

9,3

2,6

0,13

3,13

1,11

76

323

24

21

Средняя пыль
(5–10 мкм)

82,8

7,8

1,9

0,11

2,49

1,00

61

248

22

18

Остаток

88,3

5,1

1,1

0,04

1,82

0,70

14

59

18

16

НСР05

2,8

2,6

1,8

0,08

0,13

0,28

19,7

4,9

10,3

5,9

Таблица 17 – Содержание почвенных фракций (%)

Система
удобрений

Слой,

см

Скелетная часть

Средняя пыль

Тонкая пыль

Ил

Без удобрений

0–20

56,3

7,4

9,7

24,5

20–30

59,6

7,4

8,4

26,8

Минеральная

0–20

59,7

6,6

8,3

25,4

20–30

60,1

5,7

10,7

23,5

Органоминеральная

0–20

60,2

10,2

10,6

19,1

20–30

59,0

9,9

9,9

21,3

НСР05


2,04

1,15

1,08

1,15

Содержание фракции тонкой пыли в пахотных и подпахотных горизонтах колеблется от 8 до 11%. Характер распределения фракции в этих горизонтах меняется: в почве без удобрений и с органоминеральной системой отмечается наибольшее количество ее в пахотных горизонтах – 9,7 и 10,6% соответственно. В варианте с минеральными удобрениями этот показатель минимальный – 8,3%. При органоминеральной системе удобрений по сравнению с другими вариантами опыта возрастает количество средней пыли в пахотном и подпахотном слоях на 2,8-4,5%. Под длительным влиянием удобрений ожидается увеличение в пахотном слое почвы скелетной части до 60%, против 56,3% на контроле.

Минералогический состав фракции менее 1 мкм, выделенной из пахотных и подпахотных горизонтов серой лесной почвы, представлен гидрослюдами дитриоктаэдрического типа (53-63,0%), каолинитом (12-15%) и сложными неупорядоченными смешаннослойными образованиями с низким содержанием смектитовых пакетов (23-35%). В ряде горизонтов отмечается присутствие хлорита. Соотношение этих минеральных фаз меняется в двух направлениях. В подпахотных горизонтах количество смешаннослойных минералов со смектитовым пакетом несколько выше, чем в илистом веществе пахотных горизонтов. Содержание же этого  образования  в пахотных горизонтах наименьшее в варианте, где вносили минеральные удобрения. В этом же варианте мы констатируем наибольшие показатели по количеству гидрослюд (табл. 18).

Таблица 18 – Соотношение основных минеральных фаз фракций

< 1 мкм, %

Система
удобрений

Слой,

см

Каоли-нит + хлорит

Гидро-слюда

Смешан-нослой-ные

образо-вания

Каоли-нит + хлорит

Гидро-слюда

Смешан-нослой-ные

образо-вания

% во фракции ила

% в почве в целом

Без удобрений

0–20

14,7

60,4

24,4

3,3

14,7

5,9

20–30

12,9

53,0

34,5

3,5

14,2

9,0

Минеральная

0–20

13,5

63,8

22,8

3,4

16,3

5,8

20–30

12,2

62,2

25,7

2,9

14,6

6,0

Органо-

минеральная

0–20

13,9

62,6

23,5

2,6

12,0

4,5

20–30

12,1

56,9

31,1

2,6

12,1

6,6

НСР05

1,9

1,4

1,2

0,6

0,9

1,0

Отмеченные тенденции изменения таких важных показателей, как содержание илистой фракции, а в ней смектитовой фазы и гидрослюд, свидетельствует о кислотном гидролизе минералов при изменении реакции среды в кислую сторону и способствует активизации процессов трансформационных преобразований минералов. Появление в почве повышенных количеств катионов калия и аммония приводит к активизации процессов аградационной трансформации смектитовых пакетов с необменной фиксацией  этих элементов. Активизируется процесс механической дезинтеграции минералов в пахотных горизонтах и в первую очередь там, где внесены диспергаторы. Поэтому в пахотных горизонтах  увеличивается количество таких минералов микронной размерности, как кварц и полевые шпаты.

Рассмотренный выше характер распределения минералов тонкопылеватых фракций позволяет констатировать следующие процессы: 1) деструкцию минералов под влиянием кислотного гидролиза при подкислении реакции среды; 2) активизацию процессов трансформационных преобразований минералов под влиянием агротехнологий; 3) активизацию аградационных трансформаций слюда-смектитов при необменной фиксации калия и аммония; 4) механическую дезинтеграцию минералов фракций более 1 мкм в пахотных горизонтах при внесении удобрений.

Таким образом, длительное применение различных систем удобрений привело к небольшим изменениям минералого-кристаллохимических признаков тонкодисперсных фракций (илистой, тонко- и среднепылеватых). Наибольшие изменения зафиксированы в минеральной части почвы варианта, где вносились азотные удобрения на фоне фосфорных и калийных. Здесь установлены процессы межслоевой фиксации аммонийного радикала слюда-смектитами в илистых фракциях.

7. Урожайность сельскохозяйственных культур. Физико-химический блок модели плодородия. Оценка энергетической и

агроэкологической эффективности

В опыте с комплексным окультуриванием серой лесной почвы Л.В. Ильина выделяет три уровня плодородия – низкий, средний и высокий. За последнюю шестую ротацию была определена урожайность сельскохозяйственных культур. Анализ урожайных данных выявил высокую эффективность совместного применения органических и минеральных удобрений (табл. 19).

Таблица 19 – Продуктивность и прибавка (%) сельскохозяйственных культур в зависимости от уровня плодородия за шестую ротацию севооборота (1996–2000 гг.)

Уровень плодо-родия

Карто-фель

Овес

Однолет-ние травы и клевер (сено)

Озимая пшеница

Ячмень

Среднее за ротацию севооборота

Люцерна

(сено),

2001–2006 гг.

т/га

%

т/га

%

т/га

%

т/га

%

т/га

%

т/га к.ед.

%

т/га

%

Низкий

12,4

1,7

2,1

1,9

1,9

1,9

27,1

Средний

17,6

42

2,5

47

2,9

38

2,3

21

3,1

63

2,7

42

35,3

30

Высокий

20,2

62

3,3

94

3,7

76

3,5

84

3,5

84

3,5

84

45,7

69

НСР05

2,5

0,4

0,4

0,3

0,3

2,1-2,3

Наибольший эффект от удобрений получен в опыте с овсом и ячменем, где прибавки урожая на среднем уровне плодородия серой лесной почвы в сравнении с контролем, характеризующим низкий уровень, составили 21-63%, на высоком – 84-94%.

Рассмотрим на примере овса вклад факторов – севооборота, удобрений, обработки и их сочетаний в формирование прибавки урожайности культуры (рис. 5).

Замена зернопропашного севооборота на зернотравянопропашной севооборот за счет включения клевера вместо викоовсяной смеси позволяет увеличить урожайность овса в условиях неудобренного фона с традиционной обработкой почвы на 7% (А2(В1С1)), средних доз удобрений – на 37% (А2(В2С1)) и высоких доз удобрений – на 54% (А2(В3С1)). Углубление в зернотравянопропашном севообороте пахотного слоя почвы до 30 и 40 см на варианте без удобрений  способствует увеличению прибавки соответственно в 2 и 3 раза.

Примечание: в скобках фоновые факторы

Рисунок 5 – Прибавка урожайности (%) овса в засуху от севооборота (А),

удобрений (В), обработки (С) и их сочетаний

Вклад севооборота и обработки составляет на фоне средних доз удобрений 4-30%, высоких – 6-49% в зависимости от варианта углубления. Чистый вклад севооборота составляет 4-6%, обработки почвы на среднеокультуренном фоне – 5%, на высокоокультуренном – 13%,  удобрений на фоне углубления на 30 см – 20%, на фоне углубления на 40 см – 37%. Агротехнологическая схема, рассчитанная на формирование среднего уровня плодородия серой лесной почвы, обеспечивает общий совокупный вклад отмеченных факторов в размере 50-53 %, высокого уровня –76-80 %.

Физико-химический блок плодородия. Длительность полевых многолетних опытов позволяют получить достоверный и обширный экспериментальный массив данных. На их основе составлен физико-химический блок модели плодородия серой лесной тяжелосуглинистой почвы  с низким, средним и высоким  уровнями ее устойчивости (табл. 20).

Таблица 20 – Физико-химический блок модели плодородия серой

лесной тяжелосуглинистой почвы

Показатель

Единица

измерения

Уровень устойчивости почвы

низкий

средний

высокий

Урожайность, т/га к. ед.

<2,7

2,7–3,5

>3,5

Общая за интервалы рН емкость буферности к подкислению (ЕБк)

мМ-экв/100 г

<9

9–11

>11

Поглощенные основания

(Ca2++Mg2+)

мг-экв/100 г

< 20

20-25

> 25

Максимальная адсорбция (Qmax) по Ленгмюру:

мМ/кг




цинка


<91

91–143

>143

меди


<104

104–130

>130

кадмия


<93

>93

свинца


<61

61–132

>132

Буферность к загрязнению по изотерме адсорбции в точки концентрации:







Цинк

5


<4

4–7

>7

10


<2

2–4

>4


фактор интенсивности,

мМ/л

Медь

5

<5

5–6

>6

10

<2

2–3

>3



Кадмий

5

фактор

емкости

в мМ/кг

<4

>4

10

<2

>2


Свинец

5


<2

2–6

>6

10


<1

1–4

>4

Относительная активность калия (ARo)

М/л10–3

<2

2–4

>4

Потенциальная калийная буферность (РБСк)

фактор емкости, мг-экв/100 г

<24

24–45

>45

Равновесная концентрация фосфора (Р) в вытяжке 0,01 М CaCl2

мг/л

<0,1

0,1–0,2

>0,2

Емкость десорбции _(Qo)

мг Р/100 г

<0,7

0,7–1,4

>1,4

Потенциальная фосфатная буферность (РВСр)

мл/г

<34

34–45

>45

Применение минеральных и органических удобрений обеспечивало на серой лесной тяжелосуглинистой почве прибавки урожайности сельскохозяйственных культур в пределах 0,8-1,6 т/га к.ед. Средняя продуктивность севооборотов составила 2,7-3,5 т/га к.ед. (табл. 19). Ее нельзя считать предельной, так как в южной части Нечерноземной зоны можно получать более высокие урожаи за счет оптимизации питания. Примем в модель, что значения относительной активности калия и калийной буферности в пределах 0,002-0,004 М/л и 24-45 соответственно, а также  равновесной концентрации фосфора  от 0,1 до 0,2 мг/л и фосфатной буферности от 34 до 45 мл/г ориентировочно характеризуют степень устойчивости плодородия почвы как среднюю или близкую к ней. В табл. 20 приведены другие физико-химические параметры плодородия в соответствии с уровнями устойчивости почвы.

Агроэкологическая оценка. Оценку проводили, исходя из расчета стандартного отклонения частотных распределений урожайности яровых зерновых культур, характеризующего ширину ресурсной экологической ниши (ЭН). Чем шире она, тем устойчивее продукционный процесс. Установлено, что предложенные к рассмотрению системы удобрений обеспечивают более широкую экологическую нишу яровым зерновым культурам, для которых значение стандартного отклонения составило 1,29, что  в 1,7-1,8 раза выше контроля (табл. 21).

Таблица 21 – Энергетическая оценка технологий в опытах 1 и 2

Вариант

Система удобрения

Средняя

урожай-ность, т/га

Энерго-содержа-ние,

ГДж/га

Общие энергозатраты, ГДж/га

Кээ

Ширина ЭН

Опыт 1

Без удобрений

органо-минераль-ная

1,43

27,2

45,0

0,6

0,71

С-II+в.н.у.+Ог-20

2,69

51,1

46,6

1,1

1,29

Опыт 2

Без удобрений

минераль-ная

1,40

26,5

42,1

0,6

0,76

РК

1,60

30,4

43,3

0,7

0,77

PK+Nаа

2,44

46,6

43,5

1,1

1,29

Расчеты показали, что в неблагоприятные по влагообеспеченности годы с ГТК < 1,0 энергетическая эффективность в опытах 1 и 2 была максимальной в вариантах с применением органоминеральной системы удобрений и с совместным внесением азотных, фосфорных и калийных удобрений (минеральная система): значение коэффициента энергетической эффективности  составило 1,1 ед., тогда как в варианте без удобрений Кээ составил 0,6 ед.

С энергетических позиций приведенные расчеты подтверждают значимость удобрений в стабилизации продукционного процесса сельскохозяйственных растений в условиях засухи.

ВЫВОДЫ

1. На формирование урожайности зерна яровых культур  влияние оказывают майские осадки, динамика которых указывает на усиление засушливости (уравнение тренда за 60-ти летний период Y = 52,0–0,3X), а также гидротермические условия июня. В отсутствии майских и июньских осадков вероятность получения урожайности зерна яровых культур более 2,0 т/га составляет всего 11 %. Улучшение водообеспеченности  в мае повышает вероятность до 70 %. Если улучшение проявляется только в июне, вероятность снижается до 24 %.

При значении гидротермического коэффициента (ГТК) мая и июня около единицы вероятность получения рентабельной урожайности зерна  не менее 3,0 т/га составляет 79 %. При ГТК июня меньше 0,7, урожайность становится наиболее зависимой от гидротермических условий мая.

2. В длительных полевых опытах с удобрениями установлена тесная связь (R = 0,7-0,9) урожайности культурных растений от ГТК и удобрений. Совместное внесение азотных, фосфорных и калийных удобрений в дозе  60-80 кг д.в./га  позволяет в засушливых условиях на серых лесных почвах получать устойчивую урожайность яровой пшеницы и ячменя около 3,0 т/га, картофеля – 14,4-16,5 т/га. О повышении устойчивости свидетельствует специально выведенные нами абстрактные эколого-экономический коэффициент устойчивости (Кээу), коэффициент устойчивости (Ку) и трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ). По ним определено, что устойчивое производство зерна яровых культур в пределах 3,0 обеспечивается за счет комплексного окультуривания почвы, улучшения почвенного плодородия.

3. Длительное использование одних минеральных удобрений (минеральная система) оказывает неодинаковое влияние на буферную способность серой лесной почвы (устойчивость) к подкислению. Это зависит от  кислотности почвы (рНKCl): при рН около 4,4 общая емкость буферности (ЕБк) в сравнении с вариантом без удобрений снижается на 3,5 мМ-экв/100 г и составляет 4,2 мМ-экв/100 г; при рН около 5,0 – ЕБк возрастает до  7,42 мМ-экв/100 г. Замена хлористого аммония на кальциевую селитру увеличивает ЕБк на 1,5 мМ-экв/100 г. Органоминеральная система удобрения при условии формирования кислотности, близкой к нейтральной, увеличения гумуса в сравнении с минеральной системой до 3,0 % способствует возрастанию ЕБк до 10,8 мМ-экв/100 г. При органической системе удобрения почва, в которой содержание гумуса повышается до 5,4 % на фоне близкой к нейтральной реакции почвенного раствора, в состоянии нейтрализовать кислоты, эквивалентной 18,5 мМ/100 г.

4. Благоприятные условия для максимальной адсорбции ТМ при предельной  нагрузки  по цинку и меди в 13,0 мг/кг, кадмию 15,7 и свинцу 30,9 мг/кг складываются на варианте с органоминеральной системой удобрения при условии создания уровня плодородия не ниже среднего (по существующим моделям). В этом случае величина адсорбционной емкости превышает вариант без удобрений и минеральную систему по цинку и меди на 21-27 мМ/кг, кадмию – на 8-17 мМ/кг  и свинцу – на 29-56 мМ/кг.

Мероприятия, направленные на усиление гумификационных процессов в почве, повышают устойчивость почвы к загрязнению. При повышении гумуса до 5 % серая лесная почва увеличивает адсорбционную емкость по отношению к цинку и меди соответственно до 182 и 130 мМ/кг; при содержании гумуса около 3 % она составляет 123 и 104 мМ/кг; еще меньше – 91 и 97 мМ/кг при содержании гумуса 2,0 %.

5. В качестве биоиндикатора устойчивости почвы выступают почвенные микроорганизмы. В сравнении с оптимальными экологическими условиями снижение численности микроорганизмов в неокультуренной почве в засуху, а также при подкислении и загрязнении медью происходит в зависимости от групп микроорганизмов на 44-89 %, в окультуренной – на 0-36 %. Повышение плодородия почвы способствует в отмеченных неблагоприятных условиях среды стабилизации микробной биомассы и снижению метаболического коэффициента. Длительное применение минеральных удобрений в умеренных дозах не приводит к снижению биологической активности почвы.

6. Наилучшими параметрами калийного состояния обладают почвы с высоким содержанием подвижного калия в сочетании с высокими показателями потенциальной буферной способности (РВСк), что позволяет им долгое время поддерживать стабильный уровень калийного питания. Для достижения оптимальной активности калия 0,002-0,0035 М/л,  содержание гумуса должно быть не ниже 3,0 %, обменного калия – 20 мг/100 г. При превышении гумуса 3 % (до 3,5 %) и обменного калия 20 мг/100 г улучшается десорбционная способность почвы, поэтому РБСк увеличивается в два раза (с 20-24 до 40-45). При таком диапазоне РБСк достигается относительная активность калия ARo в пределах 0,002-0,003 М/л.

7. За счет сформировавшегося запаса потенциально доступных фосфатов трехлетний  перерыв в применении азотных, фосфорных и калийных удобрений в дозе по 60 кг/га, пятилетний перерыв в совместном применении органических (40 т/га) и минеральных удобрений (в среднем ежегодно N94P96K84) не приводит к снижению потенциальной буферной способности к фосфору, что свидетельствует об устойчивом обеспечении культурных растений элементом.

Для формирования устойчивого для серой лесной тяжелосуглинистой почвы  фосфатного режима  необходимо поддерживать ее десорбционную способность на уровне 0,6-1,3 мг/100 г, концентрацию фосфора – 0,1-0,2 мг/л, кислотность почвы – близкой к нейтральной. При таких  условиях потенциальная фосфатная буферность (РБСр) составит 34-45 мл/г. Для этого обеспеченность почвы должна быть выше средней, содержание гумуса не ниже 3,0-3,5%.

С учетом сорбции фосфатов почвой, равновесных концентраций элемента в растворе и степени обеспеченности предложены суммарные дозы фосфорных удобрений на серой лесной тяжелосуглинистой почве.

8. На основе многолетних полевых опытов с минеральной, органо-минеральной и органической системами удобрений  разработана ориентировочная, ранжированная на  уровни модель физико-химического блока плодородия серой лесной тяжелосуглинистой почвы, которым соответствуют три уровня продуктивности культурных растений (в т/га  к. ед.): низкий – меньше 2,7, средний – 2,7-3,5 и высокий – больше 3,5.

Низкий, средний и высокий уровни устойчивости к подкислению достигаются при емкости буферности соответственно < 9,  9-11 и > 11  мМ-экв/100г; к загрязнению – при максимальной адсорбции в соответствии с уровнями цинка < 91, 91-143 и > 143 мМ/кг, меди – < 104, 104 и > 130 мМ/кг, свинца – < 61, 61-132 и > 132 мМ/кг.

Значения относительной активности калия меньше 2 М/л10–3, РБСк меньше 24 соответствуют низкому уровню устойчивости; если они составляют соответственно 2-4 М/л10–3  и 24-45 – среднему уровню; для достижения высокого уровня значения данных показателей должны превышать 4 М/л10–3 и 45.

Для устойчивого фосфатного режима в почве равновесная концентрация фосфора должна быть не меньше 0,2 мг/л, РБСр – не меньше 34-45 мг/г.

9. Оценка поведения минералого-кристаллохимических показателей почвы свидетельствует о том, что длительное (более 40 лет) применение удобрений в установленных дозах не приводит к существенным негативным последствиям для минерального комплекса серой лесной тяжелосуглинистой почвы. В то же время отмечаются слабые тенденции появляющихся деградационных процессов, в особенности если происходит подкисление почвенного раствора.

10. Модификация зернопропашного севооборота путем замены викоовсяной смеси клевером  обеспечивает в засуху дополнительную прибавку урожайности овса в пределах 4-6 %. Вклад обработки почвы (углубление на 30 и 40 см) на среднеокультуренном фоне составляет 5 %, на высокоокультуренном – 13 %. Вклад удобрений на фоне углубления пахотного слоя на 30 см составляет 20 % на фоне углубления на 40 см – 37 % . Агротехнологическая схема, рассчитанная на формирование среднего уровня плодородия серой лесной почвы, обеспечивает общий совокупный вклад отмеченных факторов в размере 50–53 %, высокого уровня – 76-80 %.

11. Улучшение плодородия почвы, в частности его агрохимической и физико-химической составляющих, повышает энергетическую эффективность системы земледелия и ее устойчивость в неблагоприятные по водообеспеченности годы, что устанавливается по коэффициенту энергетической эффективности и ширине экологической ниши, рассчитанной по частотному распределению урожайности яровых зерновых культур. 

12. В качестве альтернативных способов улучшения экологического состояния почвы предлагаются мероприятия экосистемной направленности, включающие залужение и лесоустроительные работы. В сравнении с  пахотным аналогом отмечается повышение устойчивости почвы к загрязнению медью и свинцом, улучшение калийной буферности почвы под широколиственным лесом, свинцом и к подкислению – почвы под лугом.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1.Получение стабильных (в пределах  3,5 т/га к. ед. и выше) и устойчивых урожаев культурных растений обеспечивается при следующих агрохимических условиях плодородия серой лесной почвы: содержании гумуса 3,0-3,5 %, относительной активности калия более 410–3  М/л, равновесной концентрации фосфора более 0,15 мг/л и близкой к нейтральной реакции почвенного раствора.

2. С позиции формирования устойчивого земледелия при ограниченных ресурсах удобрений необходимо вводить севообороты с клевером.

3. Для улучшения  культурных растений фосфатным и калийным питанием, постепенной трансформации серой лесной почвы с низкой и средней обеспеченностью в следующие высокие классы суммарная доза фосфорных удобрений должна быть при низкой обеспеченности не ниже 470 кг/га, средней – 200 кг/га, калийных не ниже 200 кг/га – для низкой обеспеченности и 130 кг/га – средней. 

4. Для составления прогнозных оценок изменения калийного и фосфатного режимов при использовании удобрений, регулирования питания использовать разработанный физико-химический блок плодородия почвы.

5. При агрохимическом обследовании почв реперных участков для характеристики их фосфатного и калийного режимов, наряду с содержанием подвижного фосфора и обменного калия (в 0,2 н HCl по Кирсанову), предлагается использовать концентрацию Р2О5 в вытяжке 0,01 М СaCl2, калия – в 0,002 М СaCl2

6. В случае повышения риска подкисления или загрязнения почвы следует трансформировать пахотные угодья в луговые экосистемы без выведения из сельскохозяйственного оборота.

Ведущие научные рецензируемые журналы:

1. Ильина Л.В., Ушаков Р.Н., Возняковская Ю.М., Аврова Н.П. Использование растительной биомассы для повышения плодородия почв и продуктивности земледелия // Земледелие.- 1998.- №5.- С. 42-44.

2. Ушаков Р.Н.  Агрохимическое значение плодородия в борьбе с засухой // Межд.  с.-х. журнал.- 2000.- № 3.- С. 56-57.3. Ушаков Р.Н.  Микробная плазма - ценное органическое удобрение // Межд. с.-х. журнал. 2001.- № 2.- С. 17-18.

4. Ушаков Р.Н. Состояние зернового рынка в СНГ // Зерновые культуры.- 2001.- № 3.- С .4-5.

5. Ушаков Р.Н. Возделывание яровой пшеницы в неблагоприятных условиях // Зерновое хозяйство.- 2001.- № 1 (4).- С. 27-28.

6. Ушаков Р.Н., Костин Я.В., Асеева Н.Н. Агроэкологический подход к вредоносности сорняков // Земледелие.- 2001.- № 4.- С.20-22.

7. Ушаков Р.Н.  Химический состав серой лесной почвы Рязанской области и определяющие его факторы // Известия ТСХА.- 2002.- вып.4.- С.159-163.

8. Ушаков Р.Н. Агрохимический аспект вредоносности водной эрозии // Аграрная наука.- 2002.- №6.- С. 15-16.

9. Костин Я.В., Ушаков Р.Н., Федоров Ю.В.  Продуктивность севооборота при длительном применении разных форм калийных удобрений // Международный с.-х. журнал. 2002.- №5.- С. 57-58.

10. Ушаков Р.Н.  Продуктивность культуры зависит от форм фосфорных удобрений и погодных условий // Картофель и овощи.- 2002.- №8.- С.22-23.

11. Ушаков Р.Н.  Антропогенное регулирование устойчивости продукционного процесса яровых зерновых культур в условиях засухи на серых лесных почвах // Вестник РАСХН.- 2003.- №5.- С.14-17.

12. Ушаков Р.Н.  Устойчивость продукционного процесса в земледелии // Земледелие.- 2003.- №4.- С.8-9.

13. Ушаков Р.Н.  Агрохимический аспект борьбы с почвенной засухой в Нечерноземной зоне // Плодородие.- 2003.- №3.- С.26-28.

14. Ушаков Р.Н. Приемы формирования устойчивости растений к засухе // Плодородие.- 2003.- №4.- С.32-34.

15. Ушаков Р.Н. Оценка устойчивости продукционного процесса зерновых // Зерновое хозяйство.- 2003- №8.- С. 3-5.

16. Ушаков Р.Н. Минеральные удобрения и устойчивость продукционного процесса растений // Агрохимический вестник.- 2004.- №2.- С.26-27.

17. Ушаков Р.Н., Косорукова Т.Ю. Повышение устойчивости зерновых культур к почвенной засухе при использовании калийных удобрений // Известия ТСХА.- 2004.- вып.3.- С.63-66.

18. Ушаков Р.Н. Экологическая оценка при моделировании плодородия серых лесных почв в южной части Нечерноземной зоны // Вестник РАСХН.- 2004.- №12.- С.15-17.

19. Ушаков Р.Н. Буферность серых лесных почв к подкислению в зависимости от их плодородия // Плодородие. 2005. №1. С. 28-29.

20. Ушаков Р.Н., Косорукова Т.Ю.  О значении уровня плодородия почв при засухе // Плодородие. 2005.- №6.- С. 14-15.

21. Ушаков Р.Н. Анализ формирования агрохимической переменной плодородия пахотных почв в Рязанской области // Известия ТСХА.- 2005.- №6.- С. 21-28.

22. Ушаков Р.Н. Сравнительный анализ валового состава серых лесных почв // Аграрная наука.- 2005.- №3.- С. 8-9.

23. Ушаков Р.Н. Роль водного экстракта соломы в формировании буферности почв // Вестник РАСХН.- 2005.- №6.- С. 36-37.

24. Ушаков Р.Н. Активность почвенных микроорганизмов – показатель устойчивости земледелия // Земледелие.- 2006.- №1.- С. 14-15.

25. Ушаков Р.Н., Зубец А.Н. Влияние удобрений на кислотную буферность серых лесных почв // Агрохимический вестник. 2007. №1. С. 30-31.

Монографии:

26. Мажайский Ю.А., Захарова О.А., Ушаков Р.Н., Костин Я.В. Эколого-химическая оценка антропогенных воздействий на почвенный покров Рязанской  области // Рязань.- 2005.- Изд-во «Мещерского филиала ГНУ ВНИИГ».- 148 с.

27. Ушаков Р.Н. Проблема почвенной засухи в южной части Нечерноземной зоны России // Рязань. 2005.- Изд-во «Наука».- 257 с.

Подписано к печати 25.06.07 г. Формат 6084/16.

Объем 1,25 печ. л.

Зак. 33 Тираж 100 экз.

Отпечатано на участке оперативной

полиграфии ГНУ ВНИМС

Рязань, ул. Щорса,38/11






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.